Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Datenverarbeitung: Zinn für schnellere Chips

28.10.2013
Weltweit wird intensiv an einem Material geforscht, das eine Revolution in der Datenverarbeitung verspricht. Physiker haben es jetzt erstmals aus einem ganz einfachen Baustoff hergestellt. Die Fachwelt ist verblüfft.

Daten immer schneller verarbeiten und speichern, noch kleinere und leistungsfähigere Chips bauen: An diesen Zielen arbeiten weltweit viele Forschungsgruppen.


Topologischer Isolator: In einer Schicht aus Zinn trennen sich Elektronen von ganz allein nach der Ausrichtung ihres Spins, der im Bild durch Pfeile symbolisiert ist.
(Grafik: Markus R. Scholz/Arjun Kartha – http://arjunkarthaphotography.com)

Seit einigen Jahren steht dabei eine besondere Materialklasse im Mittelpunkt, die so genannten topologischen Isolatoren. In ihnen trennen sich die Elektronen von ganz alleine nach ihrer jeweiligen Spinausrichtung, völlig ohne den Einsatz elektrischer oder magnetischer Felder.

„Diese Eigenschaft ist von weitreichender Bedeutung“, erklärt Professor Ralph Claessen vom Physikalischen Institut der Universität Würzburg: „Wenn man topologische Isolatoren mit elektrischen Kontakten versieht, kann man daraus Schaltkreise bauen, die mit der Spinrichtung kodierte Informationen weiterleiten.“ Diese neue Art der Datenübermittlung beruht nicht mehr auf dem Transport elektrischer Ladungen. Sie ist darum deutlich schneller und zuverlässiger.

Warum Zinn einen Fortschritt bedeutet

Den Würzburger Physikern ist es jetzt erstmals gelungen, topologische Isolatoren aus Zinn herzustellen, also aus einem simplen und leicht verfügbaren Material. „Das vereinfacht die Herstellung erheblich, denn bislang gab es solche Isolatoren nur aus komplizierten chemischen Verbindungen oder umweltschädlichen Materialien“, sagt Claessens Mitarbeiter Jörg Schäfer.

Ihren Forschungserfolg stellen die Physiker in der Zeitschrift „Physical Review Letters“ vor. Er ist ihnen in einer internationalen Kooperation mit Arbeitsgruppen aus der Schweiz und den USA sowie vom Forschungszentrum Jülich gelungen. Am Würzburger Physikalischen Institut befasst sich auch Professor Laurens Molenkamp erfolgreich mit topologischen Isolatoren: Er hat die ungewöhnlichen Eigenschaften dieser Materialklasse – motiviert durch theoretische Vorhersagen – vor wenigen Jahren erstmals experimentell bestätigt.

Wie der topologische Isolator entstand

In den neuen Experimenten am Lehrstuhl von Ralph Claessen wurden nun – unter der Leitung von Jörg Schäfer – dünne Zinn-Schichten besonders langsam auf einen Halbleiterträger aufgedampft. Dabei bildete sich ein geordnetes Kristallgitter aus Zinn-Atomen, das mit dem von Diamant identisch ist.

„In den experimentellen Untersuchungen hat sich dann herausgestellt, dass diese Schicht die gesuchten ungewöhnlichen Eigenschaften aufweist: Die Spins der Elektronen sind in zwei Richtungen mit genau umgekehrt stehenden Magnetnadeln sortiert, und die beiden Gruppen bewegen sich in entgegengesetzten Richtungen“, so Schäfer. Nachgewiesen wurde das mit spinaufgelöster Photoemission.

„Damit haben wir erstmals gezeigt, dass das Phänomen der automatischen Spintrennung auch in einem simplen, elementaren Kristallgitter existiert“, freut sich Schäfer. Dadurch sieht er die Herstellung brauchbarer topologischer Isolatoren in greifbare Nähe gerückt. Unterfüttert sind die neuen Experimente von theoretischen Überlegungen, die der Würzburger Physikprofessor Werner Hanke gemeinsam mit Kollegen in Jülich angestellt hat.

Was die Physiker als nächstes tun

Da die Spintrennung im Zinn-Gitter an sich nun zuverlässig erzeugt werden kann, wollen die Physiker als nächstes das Leitfähigkeitsverhalten von kompletten Strukturen mit elektrischen Kontakten erforschen und optimieren.

Erste Demonstrationen des Spintransports in Schichten mit topologischen Materialien haben bereits bei Temperaturen weit unterhalb des Gefrierpunktes funktioniert. Für die praktische Anwendung sind somit noch eine Reihe technologischer Fragen zu klären, darunter die Realisierung von Schaltungen, die ohne Kühlung auskommen. Zu diesem Zweck arbeiten die Würzburger Physiker mit ihren Fachkenntnissen in Materialherstellung und -untersuchung jetzt besonders intensiv zusammen.

“Elemental Topological Insulator with Tunable Fermi Level: Strained alpha-Sn on InSb(001)”, A. Barfuss, L. Dudy, M. R. Scholz, H. Roth, P. Höpfner, C. Blumenstein, G. Landolt, J. H. Dil, N. C. Plumb, M. Radovic, A. Bostwick, E. Rotenberg, A. Fleszar, G. Bihlmayer, D. Wortmann, G. Li, W. Hanke, R. Claessen, and J. Schäfer, Physical Review Letters 111, 157205 (October 2013), DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.157205

Kontakt

PD Dr. Jörg Schäfer, Physikalisches Institut, Universität Würzburg, joerg.schaefer@physik.uni-wuerzburg.de

Robert Emmerich | Uni Würzburg
Weitere Informationen:
http://www.uni-wuerzburg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Makro-Mikrowelle macht Leichtbau für Luft- und Raumfahrt effizienter
23.06.2017 | Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP

nachricht Materialwissenschaft: Widerstand wächst auch im Vakuum
22.06.2017 | Friedrich-Schiller-Universität Jena

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Im Focus: Die Schweiz in Pole-Position in der neuen ESA-Mission

Die Europäische Weltraumagentur ESA gab heute grünes Licht für die industrielle Produktion von PLATO, der grössten europäischen wissenschaftlichen Mission zu Exoplaneten. Partner dieser Mission sind die Universitäten Bern und Genf.

Die Europäische Weltraumagentur ESA lanciert heute PLATO (PLAnetary Transits and Oscillation of stars), die grösste europäische wissenschaftliche Mission zur...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Von Batterieforschung bis Optoelektronik

23.06.2017 | Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

„Fit für die Industrie 4.0“ – Tagung von Hochschule Darmstadt und Schader-Stiftung am 27. Juni

22.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Radioaktive Elemente in Cassiopeia A liefern Hinweise auf Neutrinos als Ursache der Supernova-Explosion

23.06.2017 | Physik Astronomie

Dünenökosysteme modellieren

23.06.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Makro-Mikrowelle macht Leichtbau für Luft- und Raumfahrt effizienter

23.06.2017 | Materialwissenschaften